Ansys Workbench Mechanical 机械结构仿真指南与实例详解

前 言

在Ansys产品家族中，机械结构分析产品序列如下图所示，其中Mechanical是机械结构仿真的旗舰产品。

本书基于Ansys Workbench中Mechanical机械结构分析解决方案进行讲解，紧扣Mechanical的核心功能，不涉及其他产品模块。Ansys Workbench仿真环境如下图所示。

本书面向机械结构仿真用户，围绕下面两大学习目标和内容展开系统学习。

1．构建机械结构基本分析过程的基础知识体系与基础能力体系

（1）Ansys SpaceClaim直接几何建模，易用高效。

（2）Ansys DesignModeler参数化特征几何建模，参数优化。

（3）Ansys Meshing强大网格划分器输出高质量网格。

（4）接触（MPC）/运动副/弹簧/梁等实现结构装配连接。

（5）耦合与约束方程构建结构自由度连接。

（6）丰富的边界条件与载荷，常用与专用并举。

（7）灵活的载荷步求解控制。

（8）超强分析设置。

（9）实时求解过程跟踪监控。

（10）丰富的结果项及样式，云图/动画/数据表格/曲线/剖面。

2．构建机械结构典型分析类型应用能力体系：实战练习与综合提能

针对每种分析类型进行技术要点整理总结，抓住关键技术、常见错误和计算失败问题等重点，提出问题并收集解决方案，实现快速有效的突破。

（1）机械结构线性静力分析：重点学习不同类型的机械结构模型的仿真分析技术。

1）实体模型、壳模型和梁模型及其组合模型，加载和后处理的方式，板壳的法向与厚度属性，梁的横截面定义及方位调整，梁的内力、弯矩、结果等专用工具。

2）模型中的连接处理方式，不同自由度单元的连接方式与传力行为，几何拓扑共享实现共形网格连接。

3）对称模型：轴对称、平面对称、平面应力或应变模型、重复模型和循环对称模型等。

（2）机械结构动力学分析：按照下图系统学习动力学分析功能的技术要点（本书不含动力学专题）。

（3）机械结构非线性分析：按照下图系统学习非线性分析功能的技术要点（本书不含单元生死）。

（4）机械结构热传递及热应力分析。通过针对技术要点设计的练习开展探索式学习，比较各种分析技术路线的差异，诊断原因并评估结果，深度理解不同技术路线的优劣势，做到学以致用、举一反三、多种路线灵活且正确地选择使用或组合使用，将仿真提升到逼近正式工程物理世界行为特征，获得高精度的结果用于评估和优化工程设计方案。

（5）广告牌实体、壳和梁多种组合模型的比较研究。

1）承受风压条件下不同组合模型线性静力结果差异比较。

2）自由模态/约束模态条件下不同组合模型的影响。

3）正弦脉动风压条件下谐响应分析研究共振频率与响应幅值。

4）正弦脉动风压条件下瞬态分析研究大中小阻尼与高中低频率对结构响应影响规律。

5）在风速谱激励下随机振动响应分析研究最大统计响应。

6）在公路运输加速谱激励下随机振动响应分析研究最大统计响应。

7）在地震加速度谱激励下地震响应谱分析研究其最大响应幅值。

（6）单摆机构的柔-柔和刚柔机械的瞬态动力学仿真研究。

（7）圆柱试件6种材料循环载荷实验仿真研究。

（8）L形板件螺栓装配接触分析研究有无预紧力受力差异。

（9）加筋圆柱轴压屈曲失稳极限承载力仿真研究。

（10）机械结构传导/对流/辐射/热源综合条件下稳态与瞬态热分析研究。

虽然编者竭尽所能希望本书内容讲解精准到位并具有高水平高质量，但也难免有不足之处或者遗漏问题，如有发现请告知出版社或者直接联系编者，以便编者及时知晓并更正，不胜感谢并敬请读者谅解。联系交流方式如下：

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编 者

2025年12月

前言
上篇　机械结构分析基本过程

第1章 用户界面与操作 2
1.1 主页菜单 7
1.2 显示菜单 9
1.3 选择菜单 14
1.4 自动化菜单 20
1.5 插件菜单 21
第2章 工程数据 23
2.1 默认材料 24
2.2 自定义材料 24
2.3 引用材料数据库中的材料 25
第3章 项目 27
第4章 模型 29
4.1 几何再处理 30
4.1.1 部件变换 30
4.1.2 删除部件 31
4.1.3 几何体合并 32
4.2 梁模型与横截面 33
4.3 对称模型 34
4.4 构造几何体 40
4.4.1 路径 42
4.4.2 表面 43
4.5 远程点 44
第5章 几何结构导入 47
5.1 用DesignModeler创建几何结构 50
5.1.1 绘制二维草图 50
5.1.2 创建实体 52
5.1.3 创建面体 54
5.1.4 创建线体 58
5.1.5 高级建模工具 60
5.1.6 检测并修复几何 64
5.1.7 准备仿真几何模型 66
5.2 用SpaceClaim创建几何结构 68
5.2.1 绘制二维草图 69
5.2.2 创建三维几何模型 71
5.2.3 导入与装配几何模型 77
5.2.4 创建仿真用几何模型 81
5.2.5 几何测量 91
5.2.6 检查并修复几何 94
5.2.7 共享拓扑 102
5.2.8 几何导出与启动Ansys仿真工具 105
第6章 几何结构 108
6.1 从来源更新几何结构 108
6.2 部件对象 108
6.3 零件对象 109
6.3.1 抑制与处理属性 110
6.3.2 刚度行为属性 110
6.3.3 参考温度属性 111
6.3.4 零件编组 111
6.4 点质量与分布质量 112
第7章 材料 115
第8章 坐标系 118
第9章 连接 121
9.1 接触 123
9.1.1 自动创建接触 123
9.1.2 调整接触总体控制并重新自动
创建接触 140
9.1.3 手动创建接触 141
9.1.4 接触常用快捷操作 142
9.1.5 接触工具：检查接触状态 143
9.2 连接副 146
9.2.1 自动创建连接副 148
9.2.2 手动创建连接副 153
9.2.3 设置连接副的初始状态 155
9.2.4 连接副的驱动方式 155
9.3 轴承 157
9.4 弹簧 159
9.5 梁 161
9.6 端部释放 162
9.7 焊点 165
9.8 利用Worksheet检查连接 169
第10章 网格 171
10.1 几何再处理 172
10.1.1 特征检测 172
10.1.2 特性抑制 173
10.1.3 虚拟拓扑 173
10.1.4 拓扑抑制 178
10.1.5 修复拓扑 179
10.1.6 几何结构保真度 179
10.1.7 收缩 180
10.1.8 网格特征清除 181
10.2 全局网格控制 182
10.2.1 显示 182
10.2.2 默认 183
10.2.3 尺寸调整 184
10.2.4 质量 187
10.2.5 膨胀（边界层） 188
10.2.6 高级 189
10.2.7 自动方法（网格划分） 190
10.2.8 数据统计 190
10.3 局部网格控制 190
10.3.1 尺寸调整 191
10.3.2 细化 197
10.3.3 膨胀（边界层） 198
10.3.4 接触尺寸与接触匹配（组） 199
10.3.5 匹配控制 201
10.3.6 网格复制 203
10.3.7 面网格划分（面映射网格） 204
10.3.8 偏差 209
10.3.9 四层 211
10.3.10 焊接 213
10.3.11 连接 214
10.4 面网格的划分方法 221
10.5 体网格的划分方法 223
10.6 网格编辑 226
10.7 检查网格质量 228
第11章 分析 230
11.1 步进控制 231
11.2 求解器控件 234
11.2.1 求解器类型 234
11.2.2 弱弹簧 234
11.2.3 求解器枢轴检查 235
11.2.4 大挠曲 236
11.2.5 惯性释放 237
11.2.6 准静态解 238
11.3 转子动力学控制 238
11.4 重启控制 240
11.5 非线性控制 240
11.6 高级 242
11.6.1 反向选项 242
11.6.2 接触分布 243
11.6.3 半隐式 244
11.7 输出控制 245
11.8 分析数据管理 246
11.9 载荷与约束 247
11.9.1 惯性载荷 247
11.9.2 力、远程力、轴承载荷和螺栓
预紧力 249
11.9.3 压力、线压力与静液力压力 251
11.9.4 力矩 253
11.9.5 温度载荷 253
11.9.6 轴对称模型载荷 253
11.9.7 对称与反对称模型 254
11.9.8 函数加载 254
11.9.9 表格加载 256
11.9.10 位移、远程位移和固定的 256
11.9.11 仅压缩、无摩擦、固定旋转和
简单支撑 257
11.9.12 圆柱形支撑 258
11.9.13 弹性支撑 259
11.9.14 耦合 260
11.9.15 约束方程 261
11.9.16 节点载荷 262
第12章 结果后处理 263
12.1 结果后处理工具 263
12.1.1 云图（探针和截面） 263
12.1.2 矢量图 267
12.1.3 路径上结果分布 268
12.1.4 动画 270
12.2 结果量汇总表 271
12.3 结果集和结果的详细信息 274
12.4 总变形和定向变形 275
12.5 应力、应变、能量与应力线性化 276
12.5.1 材料的应力-应变图 276
12.5.2 应力状态与强度理论 277
12.5.3 应力误差 283
12.5.4 应力线性化 283
12.6 探针 286
12.6.1 截面内力 287
12.6.2 约束支反力和力矩 290
12.6.3 接触力和力矩 291
12.6.4 连接副探针 292
12.6.5 弹簧探针 294
12.6.6 轴承探针 294
12.6.7 梁探针 296
12.6.8 螺栓预紧力探针 297
12.6.9 体积探针 297
12.7 接触工具 298
12.8 螺栓工具 301
12.9 求解组合 303
12.10 图表 308

下篇 机械结构分析类型与实战训练

第13章 机械结构线性静力分析 311
13.1 线性静力分析技术要点 311
13.2 练习1：广告牌抗风压载荷受力分析 313
13.2.1 任务说明 313
13.2.2 操作过程 314
13.2.3 学习总结 341
第14章 机械结构动力学分析 345
14.1 动力学分析技术要点 345
14.1.1 模态分析技术要点 346
14.1.2 谐响应分析技术要点 349
14.1.3 响应谱分析技术要点 352
14.1.4 随机振动分析技术要点 355
14.1.5 瞬态分析技术要点 357
14.1.6 常见阻尼技术要点 360
14.2 练习2：广告牌抗风载荷动力学分析 362
14.2.1 任务说明 362
14.2.2 操作过程 363
14.2.3 学习总结 402
14.3 练习3：单摆结构刚柔耦合瞬态
动力学分析 403
14.3.1 任务说明 404
14.3.2 操作过程 405
14.3.3 学习总结 415
第15章 机械结构非线性分析 416
15.1 几何非线性技术要点 418
15.2 屈曲分析技术要点 419
15.2.1 线性（特征值）屈曲计算 420
15.2.2 非线性屈曲计算 421
15.3 材料非线性技术要点 422
15.3.1 塑性材料模型 422
15.3.2 蠕变材料模型 427
15.3.3 超弹材料模型 431
15.4 接触技术要点 432
15.5 练习4：非线性材料圆柱试件拉压
循环试验分析 435
15.5.1 任务说明 435
15.5.2 操作过程 438
15.5.3 学习总结 450
15.6 练习5：L形板件螺栓连接接触分析 451
15.6.1 任务说明 451
15.6.2 操作过程 452
15.6.3 学习总结 462
15.7 练习6：加筋圆柱轴压屈曲分析 462
15.7.1 任务说明 463
15.7.2 操作过程 463
15.7.3 学习总结 471
第16章 机械结构热传递及热应力分析 472
16.1 热传递分析技术要点 472
16.2 练习7：三块导热板的稳态与瞬态
热分析研究 476
16.2.1 问题描述 476
16.2.2 操作过程 477
16.2.3 学习总结 495
参考文献 496

1. 基于价值共创的生态文旅战略协同研究—以水利风景区为例 [王腾 董青 周海炜 著]
2. 数字化转型推动旅游产业升级的路径研究 [郭晓丽　著]
3. 中华水文化•水利名人文化 [毕雪燕 马卓 郭凯旋 费昕 马]
4. 遇见通州——副中心文明小书创作大赛获奖作品集 [主编　吕宇翔]
5. 潮白河流域岸带植物及水生生物图谱 [北京市水务规划研究院　著]
6. 用英语讲中国5000情景词 [董妍奇　编著]
7. 泥石流大石块冲击力计算方法实验研究 [易伟 赵怀宝 著]
8. 高职院校“双师型”教师领导力模型构建与应用研究 [杨晓倩　著]
9. 《公共机构节约用水管理办法》释义与实践 [国家机关事务管理局公共机构节能]
10. 绿色低碳发展的公共机构方案——2024-2025年度公共机构绿色低碳转型课题集 [国家机关事务管理局公共机构节能]
11. 数字化转型对企业高质量发展的影响研究 [金英兰　著]
12. 英语教学论与实践探索 [金虹 著]
13. 2025年湖南省文化和旅游业发展报告 [主编 金立槟]
14. 2023年长沙市湘菜餐饮业发展报告 [主编　邓应华 ]
15. 2025年湖南省会展业发展报告 [主编 陈莉]
16. 团体心理辅导 [方雄　著]
17. 中国湘菜文化史 [崔德明 彭文杰 李元敏 方八另]
18. 清代湖湘特色饮食研究 [李元敏 方八另 蔡振林 著]
19. 现代教育技术 [张嘉赢 赵月娥]
20. 信息技术与人工智能基础 [阙清贤 罗如为]
21. AI Agent [郑天民 著]
22. 信息素养与人工智能基础 [罗奕 程小恩]
23. 计算方法 [徐应祥]
24. 农村社会调查与SPSS统计分析实务 [主编 黄颖]
25. 大学应用数学（第二版） [主编 郭立娟]
26. 人工智能系统部署与运维 [主编 牟鑫 谢宇]
27. 用英语讲中国故事：高频1000词 [胡玉 编著]
28. AIGC通识与应用（微课版） [主编　林朝平 杨静 ]
29. 数字技术应用 [主编 马永生 姚雪 于德萍]
30. 贵州电网有限责任公司安全监管专业技术人员典型业务知识及案例汇编 [主编 黎安俊 赵凤仪 娄方桥]